Contexte de l’´ etude
II.1.2 Propagation de la flamme
Une fois la combustion initi´ee, la flamme va ensuite pouvoir se propager. La propa-gation consiste en un d´eplacement de la partie pyrolys´ee vers la partie non pyrolys´ee du solide. Ce ph´enom`ene est caract´eris´e par la vitesse de propagation de la flamme Vf (m.s−1
) et il est dˆu `a un ´echange de transferts thermiques entre la flamme et le combustible. Lors d’un incendie, la rapidit´e de la propagation s’av`ere critique quant `a l’´evolution du feu d’o`u la n´ecessit´e d’ˆetre capable de la pr´edire. Les m´ecanismes qui contrˆolent cette propagation font donc l’objet de nombreuses ´etudes [7, 8, 9]. Pour d´ecrire ce ph´enom`ene de propa-gation, une ´equation fondamentale a ´et´e d´efinie `a partir du principe de conservation de l’´energie [7]. Cette ´equation consid`ere l’´energie transf´er´ee (flux de chaleur) ˙q”
(J.m−2 .s−1
) en fonction de la masse volumique du mat´eriau ρ (kg.m−3
), de son ´epaisseur δ (m), de la vitesse de propagation Vf (m.s−1
), de la chaleur sp´ecifique Cp (J.kg−1 .K−1
) et de la variation de temp´erature entre la temp´erature d’ignition Tig (K) et la temp´erature du solide Ts (K) d’o`u :
˙q”
= ρV δCp (Tig − Ts) (II.1)
Le terme Cp (Tig− Ts) correspond `a l’enthalpie de pr´echauffage de la zone devant le front de flamme. Ce flux de chaleur d´epend des diff´erents types de transferts thermiques mis en jeu qui ont chacun une importance plus ou moins grande selon la configuration de
32 Chapitre II. Contexte de l’´etude la propagation.
Deux cas de figure particuliers peuvent se pr´esenter : la propagation `a co-courant et `a courant oppos´e. La figureII.1 propose un sch´ema synth´etique de ces deux configurations. La vitesse U∞ est ´equivalente `a un entraˆınement d’air provoqu´e par le vent pour les feux en ext´erieur ou `a une convection naturelle engendr´ee par la propagation de la flamme. La zone grise pr´esente sur le combustible solide correspond `a la zone ayant d´ej`a subit la pyrolyse. La propagation `a co-courant correspond `a une vitesse de cet entraˆınement d’air dans la mˆeme direction que la vitesse de propagation de la flamme et `a courant oppos´e dans le sens inverse. La vitesse de propagation est donc logiquement plus ´elev´ee dans le cas du co-courant. La propagation va ´egalement d´ependre de l’orientation de la surface du mat´eriau solide : horizontale ou verticale.
Figure II.1 – Sch´ema synth´etique de la propagation d’une flamme sur une surface solide horizontale : cas du co-courant (gauche) et du courant oppos´e (droite)
La configuration choisie dans cette ´etude concerne le cas d’une propagation `a co-courant pour une plaque de combustible solide en position verticale (Figure II.2). Tout d’abord, grˆace `a la pyrolyse, la flamme est aliment´ee en gaz combustible caract´eris´e par un taux de production de combustible ˙m”
F. Dans cette configuration, la propagation de la flamme est contrˆol´ee par les transferts de chaleur qui ont lieu entre la flamme et le solide [2,10, 11]. Des ´echanges thermiques peuvent aussi avoir lieu entre les fum´ees et le solide et participer `a la propagation [12] mais cette ´etude se focalise uniquement sur la flamme. Ces diff´erents types de transfert de chaleur sont :
– la convection de la flamme vers le solide ˙q” cv, – le rayonnement de la flamme vers le solide ˙q”
r, – le rayonnement du solide vers la flamme ˙q”
Chapitre II. Contexte de l’´etude 33 Des pertes de chaleur s’ajoutent `a cela telles que :
– la conduction `a travers le solide ˙q” s,c,
– le rayonnement de la flamme vers l’ext´erieur ˙q” L,r.
Les transferts de chaleur allant de la flamme vers le solide vont permettre de pyrolyser la zone imbrˆul´ee du solide. Cela va donc entraˆıner la propagation de la flamme du bas vers le haut de la plaque verticale. Pour pouvoir pr´edire la propagation et sa vitesse, il faut donc ˆetre capable de quantifier les diff´erents ´echanges de chaleur mis en jeu. Dans la configuration d’une propagation `a courant oppos´e, c’est la conduction thermique des gaz chauds de la flamme vers la partie non pyrolys´ee du solide qui permet en majorit´e le ph´enom`ene de propagation. Il faut noter que si l’´epaisseur du solide n’est pas trop faible, la conduction `a travers le solide ˙q”
s,c joue aussi un rˆole [8]. Dans la configuration d’une propagation `a co-courant, les ´echanges convectifs viennent s’ajouter mais le rayonnement a un rˆole important [13]. Comme montr´e dans l’introduction, sur la figureI.1, l’importance de ce rayonnement a ´et´e mise en ´evidence avec une ´etude LES sur un feu de paroi verticale [1]. Une partie de ce rayonnement est g´en´er´ee par les particules de suie pr´esentes dans la flamme. C’est pourquoi cette ´etude va se focaliser sur la quantification des suies dans la flamme.
Deux hauteurs, utilis´ees pour la s´ecurit´e incendie, permettent de caract´eriser la com-bustion d’un mat´eriau solide. Tout d’abord, la hauteur de pyrolyse hpy (m) permet de d´efinir la hauteur de la zone du combustible qui brˆule. Ensuite est d´efinie la hauteur de flamme hf (m) qui peut ˆetre d´etermin´ee :
– `a partir de la hauteur de pyrolyse avec une loi de puissance [8] :
hf ≈ hαpy (II.2)
– `a partir du d´egagement de chaleur HRR (W, de l’anglais Heat Release Rate) suivant la relation [14] :
34 Chapitre II. Contexte de l’´etude
Figure II.2 – Sch´ema des m´ecanismes mis en jeu lors de la propagation d’une flamme sur une paroi verticale de combustible solide
hf = 4, 2 HRR ρairCpairTair√g 23 (II.3)
avec g la constante gravitationnelle (9,81 m.s−2
) et des param`etres de l’air ambiant : ρair la masse volumique (kg.m−3
), Tair la temp´erature (K) et Cpair la capacit´e calorifique (J.kg−1
. K−1
). Le d´egagement de chaleur est quant `a lui obtenu `a partir du taux de combustion R (kg.m−2
.s−1
) suivant la relation :
HRR = RSχ∆hc (II.4)
avec S la surface du combustible solide (m2
), χ un coefficient permettant de rendre compte d’une combustion incompl`ete, χ = 1 si l’on consid`ere une combustion compl`ete, et ∆hc la chaleur de combustion (J.kg−1
). Enfin, une derni`ere caract´eristique est la perte de masse MLR (kg.s−1
, de l’anglais Mass Loss Rate) qui est ´egale `a R × S . La perte de masse et le taux de combustion sont fonction du temps. Tous ces termes permettent de
Chapitre II. Contexte de l’´etude 35 caract´eriser la combustion du mat´eriau solide et sont donc souvent d´etermin´es dans les ´etudes qui analysent la combustion des mat´eriaux solides.